Испытание армирующих профилей и определение их прочностных и геометрических характеристик Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 30 Кухарь В.В., Нагнибеда Н.Н. ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Украина E-mail: kvv_mariupol@mail.ru ИСПЫТАНИЕ АРМИРУЮЩИХ ПРОФИЛЕЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ПРОЧНОСТНЫХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УДК 624.12-14:621.7 Выполнен анализ основных способов и технологий производства армирующих профилей открытого сече- ния и с эколого - экономической точки зрения обоснованна рациональность изготовления стальных холодногнутых профилей способом последовательного профилирования в валках. Разработана методика испытаний прочностных и геометрических характеристик гнутых профилей измененной конфигурации. Использовано стандартное испыта- тельное оборудование и методы графо - аналитического определения физико - геометрических показателей. Опреде- лены геометрические и прочностные показатели стальных гнутых профилей новой конфигурации, как основные приемо - сдаточные характеристики продукции. Утверждается, что изменение конструкции профиля не требует су- щественных изменений технологии, однако геометрические отклонения будут более чувствительны к точности настройки стана. Ключевые слова: стальной армирующий профиль, открытое сечение, профилирование в валках, испы- тания, изгиб, кручение, растяжение, геометрические и прочностные характеристики. Введение Армирующий профиль представляет собой стальной оцинкованный элемент различного сечения в виде замкнутого или незамкнутого контура. Профиля замкнутого контура используют в железобетон- ных изделиях. Профиля незамкнутого контура служат для усиления жесткости конструкций из поливи- нилхлорида (ПВХ): окон, дверей, перегородок. Незамкнутый контур необходим для компенсации изме- нения размеров профиля при изменении температуры, т.к. металл и пластик неодинаково расширяются или сужаются при изменении температуры окружающей среды. Для изготовления армирующего профи- ля используется штрипс различной толщины (от 0,8 до 2,5 мм и более). Существует множество видов армирующих профилей, каждый из них предназначен для определенного вида конструкций ПВХ - профиля и имеет свою форму и свои размеры [1]. Анализ последних исследований и публикаций Армирующие профили производят способами прессования и прокатки. Для прессования профи- лей, длина которых составляет по стандартам 6 м (3 и 12 м по специально оговоренным требованиям), используют горизонтальные гидравлические трубо - профильные и прутково-профильные прессы [2]. Эти способы изготовления профилей требуют использования мощного энергоемкого оборудования, а ма- териал – необходимого нагрева до температур пластической деформации. Кроме того, прессование ха- рактерно для процессов производства профилей только из цветных металлов и сплавов. Основными характеристиками гнутых профилей являются геометрические и прочностные пара- метры. В качестве базовых прочностных характеристик используют предел текучести и предел прочно- сти материала до и после деформации. Геометрические характеристики: площадь поперечного сечения, осевой, полярный, центробежный моменты инерции и др. [3 - 5]. Для получения данных о значениях прочностных характеристик назначается ряд испытаний, а именно: испытание на растяжение (для арми- рующих профилей), кручение, изгиб и др. Для получения информации о геометрических характеристи- ках проводят физико - геометрический анализ поперечных сечений профилей [6]. Наиболее целесообразным является производство профилей методами прокатки - последова- тельной формовки в валках [7]. Изготовление холоднокатаных гнутых профилей не требует использова- ния энергоемкого нагревательного оборудования, что делает данный тип производства предпочтитель- ным так же с точки зрения минимизации вредного влияния на окружающую среду. Отечественными и зарубежными производителями армирующих профилей представлен широкий ассортимент продукции, однако исходный штрипсовый материал имеет непредсказуемые и значительные расхождения по диапа- зону допускаемых отклонений толщины. Кроме того, заказчики, по ряду технических причин, могут из- менять и дорабатывать конструкции требуемых профилей. Это вынуждает производителей выполнять испытания и вносить коррективы в каталоги и технологическую схему для обеспечения требуемых гео- метрических и прочностных характеристик готовой продукции. mailto:kvv_mariupol@mail.ru Испытание армирующих профилей и определение их прочностных и геометрических характеристик Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 31 Цель работы и постановка задач исследования Целью работы является проведение испытаний образцов для определения прочностных и гео- метрических характеристик армирующих профилей открытого типа, оценки их несущей способности и разработки рекомендаций по усовершенствованию их формы и технологии их изготовления. Для дости- жения этой цели следует, на основе анализа способов и технологий производства армирующих профи- лей, разработать методику испытаний, определить геометрические и прочностные характеристики арми- рующих профилей открытого типа, выполнить анализ результатов и предложить общие технологические рекомендации по производству армирующих профилей открытого типа. Изложение основного материала Стальной элемент размещается в средине ПВХ - профиля и предназначается для предания жест- кости и прочности оконной конструкции, противостояния эксплуатационным нагрузкам (рис. 1). Рис. 1 – Примеры расположения армирующих профилей для оконных систем [8] На одном из ведущих частных предприятий г. Мариуполя армирующие профили различной кон- струкции (для оконных систем типа Rehau, KBE, Veka, Alumplast, VENTA, KOMMERLING, Экопласт) изготавливают методом последовательного профилирования. В состав линий изготовления армирующих профилей входят: разматыватель, механизм контроля петли, стан прокатный профилирующий, набор сменных калибровок, ножницы профильные, шкаф управления Retal, пульт управления, приемный стол. Производительность линии – 1100 погонных метров в час. Линии могут укомплектовываться ножницами "летучий рез", что увеличивает производительность линий до 40 … 50 погонных метров в минуту. До- пускается деформирование ленты толщиной 1,2 … 2,0 мм, шириной 80 … 400 мм. Производство гнутых профилей холодной прокаткой существенно расширяет технологические возможности способа и позволяет менять конфигурацию профиля в зависимости от технических требо- ваний, требований заказчика, геометрических изменений в исходном сырье и т.д. Так предприятию, ис- пользующему, в основном, в качестве исходного сырья рулоны цеха холодного проката ПАО «ММК им. Ильича», необходимо было освоить прокатку профиля измененной конструкции к оконным системам Veka. Профиля окон Veka, которые, в соответствии с каталогом, имеют толщину 1,5 мм и конфигурацию, приведенную на рис. 2 и рис. 3, были изменены. Новые конфигурации профилей приведены на рис. 4 и рис. 5, причем здесь толщина металла составляет 1,4 мм. Материал – сталь 0,8пс ГОСТ 1050. Испытания и необходимые расчеты были выполнены в соответствии с действующими норма- тивными документами (ГОСТ, ИСО), определяющими порядок проведения экспериментальных исследо- ваний профилей на изгиб, кручение и растяжение, а также согласно методикам, изложенным в специаль- ной технической литературе по сопротивлению материалов [6 - 9]. Опыты проведены с использованием стандартного испытательного оборудования: машин УММ-10, УММ-20 (Р-20), а также мерительного ин- струмента прошедших метрологическую проверку в установленные сроки. Для испытания армирующих профилей на кручение использована испытательная машина, уста- новленная в лаборатории кафедры сопротивления материалов, развивающая крутящий момент до 500 Н*м (100 кг нагрузки на 0,5 м плеча). При этом обеспечивается свободное кручение образцов без до- полнительных нагрузок в течение всего процесса испытания; центрирование образцов в захватах с несо- осностью не более 0,1 мм на каждые 100 мм; плавность статического нагружения; изменение нагрузки с Испытание армирующих профилей и определение их прочностных и геометрических характеристик Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 32 погрешностью, не превышающей 1 % от величины измеряемой нагрузки, начиная с 0,2 наибольшего значения каждого диапазона, но не ниже 0,04 предельной нагрузки; возможность нагружения с точно- стью до одного наименьшего деления шкалы силоизмерителя, а также сохранение постоянства показаний силоизмерителя в течение не менее 30 секунд и измерение угла закручивания с погрешностью, не пре- вышающее 1 градус. Данные характеристики находятся в соответствии с требованиями, предъявляемыми ГОСТ 3565-80 «Металлы. Метод испытания на кручение». Рис. 2 – Профиль KCA 34 × 27,8 × 6,5 Veka 113229 без подгиба (по каталогу) Рис. 3 – Профиль KCA 38.8 × 29.7 × 20 × 8.5 × 1,5 С Veka 113,292 (1.5) (по каталогу) Рис. 4 – Доработанный профиль КСА 34 × 27,8 × 10 × 6,5 × 1,4 С Рис. 5 – Доработанный профиль KCA 38,8 × 29,7 × 10 × 8,5 × 1,4 С Соответственно, испытания на кручение и изгиб выполняли по методикам ГОСТ 3565-80 «Ме- таллы. Метод испытания на кручение» и ГОСТ 14019-80 (ИСО 7438-85) «Металлы. Методы испытания на изгиб» на профилях длинной 340 мм в состоянии их поставки (без выреза специализированных образ- цов), т.е. в соответствии с требованиями ГОСТ 7564-97 «Общие правила отбора проб, заготовок и образ- цов для механических и технологических испытаний» и ГОСТ 11474-76 «Профили стальные гнутые. Технические условия». В результате испытания профиля КСА 34 × 27,8 × 10 × 6,5 × 1,4 С на кручение и обработки ре- зультатов измерений в соответствии методикой, изложенной в ГОСТ 3565-80 «Металлы. Метод испыта- ния на кручение», получена нагрузочная диаграмма закручивания, которая перестроена в соответствии с требованиями заказчика для наглядной демонстрации величины угла закручивания, приходящегося на 1 мм длины профиля. Данная характеристика приведена на рис. 6. Кроме того, исследовано изменение мо- мента инерции при кручении в зависимости от угла закручивания (рис. 7). Следует отметить, что резкое падение значения момента инерции при закручивании профиля на относительный угол свыше 0,05 град/мм (т.е. больше наблюдаемого стабильного показателя) связано с вовлечением сечения профиля в пластическую область. Испытание профилей на изгиб проводили в соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ 14019-80 (ИСО 7438-85) «Металлы. Методы испытания на изгиб». При этом величины опор и гнущих оправок подбирали, исходя из длины поставленных образцов профилей, которая составляла 340 мм. Таким образом, используемые диаметры оправок составляли 40 мм, а диаметры опор – 50 мм для обеспечения условий чистого изгиба. Расчетное расстояние между опорами составило 260 мм. Учитывая, что профиль несимметричный, проводили его испытания на изгиб при приложении силы вдоль полки с максимальным размером и поперёк полки с максимальным размером. Результаты испытаний после их обработки, представленные в виде графиков рис. 8 и рис. 9, показывают величину прогиба в миллимет- рах, отнесенного к метру длины профиля при определенном его положении. Отмечается более быстрая потеря несущей способности профиля при приложении изгибающей нагрузки перпендикулярно плоскости полки с максимальным размером, причем профиль в данном поло- жении выдерживает нагрузку по изгибающему моменту, на 46 % меньшую, чем при деформировании вдоль плоскости полки с максимальной шириной. Испытание армирующих профилей и определение их прочностных и геометрических характеристик Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 33 Рис. 6 – Изменение относительного угла закручивания профиля КСА 34 × 27,8 × 10 × 6,5 × 1,4 С в зависимости от величины крутящего момента при испытании Рис. 7 – Изменение момента сопротивления при кручении в зависимости от величины относительного угла закручивания профиля КСА 34 × 27,8 × 10 × 6,5 × 1,4 С Рис. 8 – Изменение изгибающего момента в зависимости от величины относительного прогиба профиля КСА 34 × 27,8 × 10 × 6,5 × 1,4 С при нагружении вдоль стенки с максимальным размером Рис. 9 – Изменение изгибающего момента в зависимости от величины относительного прогиба профиля КСА 34 × 27,8 × 10 × 6,5 × 1,4 С при нагружении поперёк стенки с максимальным размером Для определения прочностных характеристик материала профиля были проведены испытания на растяжение плоских образцов, вырезанных в соответствии с требованиями ГОСТ 7564-97 «Общие пра- вила отбора проб, заготовок и образцов для механических и технологических испытаний» от боковой плоской полки, причем боковая поверхность полки совпадала с боковой поверхностью образца. Плоские образцы имели размеры поперечного сечения 1,4  10,1 мм, при этом длина растягиваемой части состав- ляла 76 мм, что было больше минимально допустимой длины по ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) «Метал- лы. Методы испытаний на растяжение» и ГОСТ 11150-84 «Методы испытания на растяжение при пони- женных температурах» и находилось в соответствии с требуемыми нормативными документами. В результате обработки диаграмм растяжения материала, приведенных на рис. 10, выявлены следующие показатели: относительное удлинение  = 16 - 18 %, относительное сужение  = 43 - 56 %, предел текучести т = 240 - 270 МПа, временное сопротивление разрыву в = 460 - 480 МПа. Расчеты геометрических характеристик поперечных сечений армирующих профилей проводили в соответствии с источником [9]. При этом сечение профиля разбивали на простые фигуры с поиском центра масс каждой и графоаналитическим вычислением расстояний центров масс до произвольно про- веденных осей. После вычисления координат центра масс и площади поперечного сечения профиля оп- ределяли величины таких характеристик, как радиусы инерции, осевые моменты инерции, полярные, главные и центробежные моменты инерции, моменты сопротивления профиля на изгиб в различных на- Испытание армирующих профилей и определение их прочностных и геометрических характеристик Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 34 правлениях, а так же моменты инерции и сопротивления при кручении. Данные характеристики под- тверждены экспериментально. Результаты испытаний приведены в табл. 1. а б Рис. 10 – Диаграммы растяжения плоских образцов, вырезанных из профиля КСА 34 × 27,8 × 10 × 6,5 × 1,4 С Таблица 1 Геометрические характеристики гнутых профилей новой конфигурации Характеристики Профиль КСА 34 × 27.8 × 10 × 6.5 × 1,4 С Профиль KCA 38,8 × 29,7 × 10 × 8,5 × 1,4 С Площадь поперечного сечения 100,4 мм2 111,6 мм2 Координаты центра тяжести хс = 10,87 мм, ус = 8,75 мм хс = 12,8 мм, ус = 9,0 мм Главные оси инерции 1 = -37,7 ; 2 = 52,3 1 = -35,4; 2 = 54,6 Радиусы инерции ix = 1,13 см, iy = 0,92 см, i = 1,46 см ix = 1,28 см, iy = 0,98 см, i = 1,61 см Осевые моменты инерции Jx = 1,2811 см4, Jy = 0,8463 см4 Jx = 1,8272см4, Jy = 1,0778 см4 Полярный момент инерции Jр = 2,1273 см4 Jр = 2,9051 см4 Центробежный момент инерции Jxy = 0,8315 см4 Jxy = 1,0778 см4 Главные моменты инерции (относительно главных осей инерции) Jmax = 1,9231 см4, Jmin = 0,2042 см4 Jmax = 2,5936 см4, Jmin = 0,3115 см4 Моменты сопротивления при изгибе Wx1 = 0,554 мм3, Wx2 = 1,179 мм3, Wy1 = 0,444 мм3, Wy2 = 0,967 мм3 Wx1= 0,703мм3, Wx2 = 1,427мм3, Wy1 = 0,521мм3, Wy2 = 1,195 мм3 Момент инерции при кручении Jк = 0,0129 см4 Jк = 0,0138 см4 Момент сопротивления при кручении Wк = 0,046 см 3 Wк = 0,049 см3 Испытание армирующих профилей и определение их прочностных и геометрических характеристик Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 35 Полученные геометрические характеристики внесены в каталог сопровождения доработанных конструкций профилей. Их производство не требует изменения количества переходов гибки и клетей стана, однако требует более точной его настройки для соблюдения технических условий по допустимым геометрическим отклонениям, которые, ввиду уменьшения толщины, становятся жестче. В перспективе не сложно определить экономию материала на погонный метр профиля. Выводы 1. Выполнен анализ назначения, основных способов и технологий производства армирующих профилей открытого сечения, и показана экономико-экологическая обоснованность изготовления холод- ногнутых профилей способом последовательного профилирования в валках. 2. Разработана методика испытаний и определения прочностных и геометрических характери- стик гнутых профилей измененной конфигурации. При этом достаточным оказалось использование стандартного испытательного оборудования и методов графо - аналитического определения физико - геометрических показателей. 3. Определены геометрические и прочностные показатели стальных гнутых профилей новой конфигурации, как основные приемо - сдаточные характеристики технологии их производства. Измене- ние конструкции профиля не требует существенных изменений технологии, однако геометрические от- клонения будут более чувствительны к точности настройки стана. Литература 1. Армирующий профиль [Электронный ресурс].  режим доступа: // http://www.industry- ukraine.com.ua/armiruyushhiy-profil 2. Данченко В.Н. Производство профилей из алюминиевых сплавов. Теория и технология / В.Н. Данченко, А.А. Миленин, А.Н. Головко.  Днепропетровск : ДНВП "Системные технологии", 2001.  448 с. 3. Локотунина Н.М. Совершенствование технологии производства холодногнутых профилей с улучшенными эксплуатационными свойствами для дорожных ограждений автомагистралей : дисс. … канд. техн. наук : 05.16.05 / Локотунина Наталья Михайловна. – Магнитогорск, 2001. – 136 с. 4. Синельников А.С. Прочность просечно-растяжного профиля / А.С. Синельников // Инженер- но-строительный журнал. – № 5. – 2015. – C. 74-115. 5. Moen C.D. Experiments on cold-formed steel columns with holes / C.D. Moen, B.W. Schafer // Thin-Walled Structures, 2008. – No. 46. – pp. 1164-1182. 6. Ободовский Б.А. Сопротивление материалов в примерах и задачах. Учеб. пособие. 4-е изд., перераб. и доп. / Б.А. Ободовский, С.Е. Ханин. – Харьков: Харьк. ун-т, 1981. – 344 с. 7. Мищенко О.В. Производство гнутых профилей с отбортовками в роликах методом интенсив- ного деформирования : монография / О.В. Мищенко, В.И. Филимонов. – Ульяновск: УлГТУ, 2011. – 122 с. 8. Армирующий профиль для оконных систем [Электронный ресурс].  режим доступа : // http://mimege.ru/search/profil-armiruyushchiy 9. Писаренко Г.С. Опір матеріалів / Г.С. Писаренко, О.Л. Квітка, Е.С. Уманський. За ред. Г.С. Писаренка. – К. : Вища школа, 1993. – 655 с. Поступила в редакцію 25.12.2015 Испытание армирующих профилей и определение их прочностных и геометрических характеристик Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 36 Kukhar V.V., Nagnibeda N.N. The testing of reinforced profiles and determination of they durability and geometrical properties. The paper presents key methods and technologies for the production of reinforcing profiles of open cross-section with the ecological - economic perspective is justified by the rationality of the manufacture of cold - formed steel profiles is the sequential profiling in the rolls method. Were developed method of testing strength and geometric characteristics of the bent profiles with modified configuration. Used standard test equipment and methods graph-analytical determination of physical and geometrical parameters. Geometric and strength characteristics of steel roll-formed profiles with new configura- tion discribed a basic acceptance of the product characteristics. It is describes that the changing profile design does not re- quire significant technology changes, but the geometric deviation are more sensitive to the accuracy of the mill setup. Keywords: steel reinforcing profile, open section, profiling in rolls, testing, bending, torsion, tension, geometrical and strength characteristics. References 1. Armiruyuschiy profil, Url: // http://www.industry-ukraine.com.ua/armiruyushhiy-profil 2. Danchenko V.N., Milenin A.A., Golovko A.N. Proizvodstvo profiley iz alyuminievyih splavov. Te- oriya i tehnologiya, Dnepropetrovsk : DNVP "Sistemnyie tehnologii", 2001, 448 p. 3. Lokotunina N.M. Sovershenstvovanie tehnologii proizvodstva holodnognutyih profiley s uluchshen- nyimi ekspluatatsionnyimi svoystvami dlya dorozhnyih ograzhdeniy avtomagistraley : diss. kand. tehn. nauk : 05.16.05, Lokotunina Natalya Mihaylovna. Magnitogorsk, 2001, 136 p. 4. Sinelnikov A.S. Prochnost prosechno-rastyazhnogo profilya, Inzhenerno-stroitelnyiy zhurnal. N 5. 2015, p. 74-115. 5. Moen C.D., Schafer B.W. Experiments on cold-formed steel columns with holes, Thin-Walled Struc- tures, 2008, No. 46. pp. 1164-1182. 6. Obodovskiy B.A. Khanin S.E. Soprotivlenie materialov v primerah i zadachah. Ucheb. posobie. 4-e izd., pererab. i dop., Kharkov: Khark. un-t, 1981, 344 p. 7. Mischenko O.V., Filimonov V.I. Proizvodstvo gnutyih profiley s otbortovkami v rolikah metodom intensiv-nogo deformirovaniya : monografiya, Ulyanovsk: UlGTU, 2011, 122 p. 8. Armiruyuschiy profil dlya okonnyih sistem, Url: // http://mimege.ru/search/profil-armiruyushchiy 9. Pisarenko G.S., Kvitka O.L., Umanskiy E.S. Opir materialiv,. Za red. G.S. Pisarenka. K. : Vischa shkola, 1993, 655 p. 2 OLE_LINK2